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Presentation Transcript

  1. Ingo Rechenberg PowerPoint-Folien zur 8. Vorlesung „Bionik I“ Vorbild Vogelflug Evolution aerodynamischer Tricks am Vogelflügel

  2. Dädalus und Ikarus Vorbild „Vogel“ Kein Leitwerk

  3. Otto Lilienthal (1848-1896) Otto Lilienthal am 16. August 1894: Lilienthals systematische Studien des Vogelfluges führten zum ersten erfolgreichen Flug des Menschen Schlagflügelapparat mit aufgespreizten Flügelenden

  4. Dornier Do328 Foto: Ingo Rechenberg Seeschwalbe Seeschwalbe Rumpf mittig! Flügel vorn! Leitwerk hinten! Foto: Ingo Rechenberg Lösung der biologischen Evolution Lösung der Ingenieure nach über 100 Jahren Flugzeugentwicklung

  5. Das Flugzeug ist das Paradepferd der Bioniker Denn: Das Flugzeug ist eine bionische Erfindung Das Flugzeug ist noch immer Gegenstand bionischer Forschung

  6. ? Energieersparnis Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

  7. Tragflügelrandwirbel hinter einem Kleinflugzeug

  8. Randwirbel an einer F18 Hornet

  9. Wie entsteht Auftrieb an einem Tragflügelprofil ?

  10. 1. Weil die Strömung auf der Profiloberseite ein längeren Weg hat, muss sie dort schneller sein. 2. Dort, wo es schneller strömt, entsteht Unterdruck (Bernoulli-Gleichung). Dagegen spricht: Ein gewölbtes Segel erzeugt auch Auftrieb, obgleich oberer und unterer Weg gleich lang sind !

  11. Das Strömungsteilchen erhält durch Unterdruck auf der Profiloberseite die notwendige Zentripetalkraft, um sich auf der gekrümmten Bewegungsbahn zu halten. Zentripetalkraft Zentrifugalwirkung Unterdruck Warum erzeugt ein gekrümmtes Segelprofil Auftrieb ?

  12. Auch bei einer angestellten ebene Platte sind die Stromlinien gekrümmt und sie erzeugt deshalb Auftrieb

  13. r v j Flügelspannweite Zirkulation Kutta Joukowski Abstraktes mathematisches Modell der Auftriebsentstehung A v Real ohne Kantenumströmung Es entsteht Auftrieb ! Theorie Potentialströmung Auftrieb = 0 ! Mathematische Strömung Potentialwirbel Geschwindigkeitsfeld Formel von Kutta/Joukowski

  14. Zirkulation Anfahrwirbel Gebundener Wirbel (Zirkulation) und Anfahrwirbel an einem gerade in Bewegung gesetzten Tragflügel

  15. Warum bildet sich ein Zirkulationswirbel ? Der abschwimmende Anfahrwirbel kann allein nicht existieren. Sein Drehgeschwindigkeitsfeld würde einen unendlichen Energieinhalt besitzen. Es muss ein gleich starker Gegenwirbel entstehen, damit sich die Geschwindigkeiten im Unendlichen auslöschen. Der Gegenwirbel ist der Zirkulationswirbel G . G

  16. Auftriebs- Strahl Randwirbel erzeugt Auftriebsstrahl Helmholtz: Ein Wirbel kann innerhalb eines Fluids kein freies Ende haben ! !

  17. Ludwig Prandtl (1875-1953) Den Randwirbel kann man nicht durch einen Trick verschwinden lassen Die Randwirbelproduktion kostet Energie. Es entsteht ein Randwiderstand. Nach Ludwig Prandtl Aber: Mit dem Doppeldecker-Trick oder dem Albatros-Prinzip lässt sich der Randwiderstand vermindern.

  18. Längsauftrennung des Flügels

  19. Der Doppeldecker-Trick halbiert den Randwiderstand Vorausetzung: Großer Staffelabstand der Flügel

  20. Horatio Frederick Phillips 1845 -1926 20-Decker von Horatio F. Philipps (1904)

  21. Das Albatros-Prinzip viertelt den Randwiderstand

  22. Rabengeier mit aufgespreizten Flügelenden

  23. Formation einer strömungs-beschleunigenden Wirbelspule Siehe Vorlesung „Berwian“ Randwirbel am Normalflügel Multideckertrick oder Wirbelspulenprinzip Zwei Deutungen des Spreizflügeleffekts Randwirbel am Spreizflügel

  24. Nachkommen realisieren ca- cw- Messung Flexible Bleistreifen Neue Generation Eltern eingeben Nachkommen bewerten Nachevolution im Windkanal (Neobionik)

  25. Generation Max 0 3 6 9 15 12 18 21 24 Evolution eines Spreizflügels im Windkanal 27

  26. æ ö 2 c ç ÷ w = 0 , 0216 ç ÷ 3 c è ø a min æ ö 2 c ç ÷ w = 0 , 0188 ç ÷ 3 c è ø a min Diplomarbeit: Michael Stache Spreizflügel versus Normalflügel

  27. Was gewinnt der Vogel durch aufgespreizte Flügelenden ?

  28. ? ? Evolutions- Wettkampf

  29. Daten für Bussard Formel für die Sinkgeschwindigkeit G = 0,8 kg F =0,2 m2 g = 9,81 m/s2r= 1,1 kg/m3 Wir erhalten aus dem Polardiagramm Für den Vogel ohne Spreizung Für den Vogel mit Spreizung

  30. 13 min 33 sec 14 min 30 sec Evolutions- Wettkampf

  31. Boeing C-17 A Globemaster III Winglets Vorstufe des Spreizflügels des Vogels

  32. Winglets am Segelflugzeug

  33. Auf dem Weg Doppelwinglets MD 11 (Boeing) zum Vogelflügel Dreifach-Winglets (Antonov)

  34. Auf dem Weg zum Vogelflügel Doppelwinglets: Arava IAI 202 (1977)

  35. Auf dem Weg zum Vogelflügel Winggrids a) Winggrid UL-Flugzeug DynAero b) "Winggrid" eines Kondors c) Motorsegler Stemme S10 Lang gezogene Wirbelspule Motorsegler Prometheus mit Visualisierung der Wirbelzöpfe d) Aus dem Internet

  36. Flugmodell mit Multiwinglets

  37. Foto: Michael Stache Evolutionsstrategisch entwickelte Multiwinglets für ein Segelflugzeug

  38. Flugmessungen an einem Segelflugzeug

  39. Die abnehmende Flügeltiefe muss man sich in kleinen Stufen realisiert vorstellen Vom gespreizten Flügelunterseite wird zur Oberseite (Möbius-Band) Vogelflügel Patent von Louis B. Gratzer zum Schlaufenflügel

  40. Vom Normalflügel zur Flügelspitzenschlaufe

  41. Schlaufenflügel (spiroid wing)

  42. Studenten-Praktikum am Storchenflügel

  43. Flugzeugabsturz

  44. Birgenair-Flug 301 – Absturz am 9. Februar 1996 bei Puerto Plata in den Atlantik Absturz durch Strömungsablösung Aus dem Untersuchungsbericht Die wahrscheinliche Unglücksursache lag in dem Unvermögen der Flugbe-satzung, die Aktivierung des Stick Shaker als unmittelbare Warnung für den Übergang in den überzogenenFlugzustand zu erkennen und die Unfähigkeit, die entsprechenden Verfahren zur Behebung dieses Flugzustandes durchzuführen. Vor der Warnung durch den Stick Shaker hatten eine fehlerhafte Anzeige des Anstiegs der Fluggeschwindigkeit und die Warnung für die Überschreitung der maximalen Geschwindigkeit zur Verwirrung der Besatzung geführt. Die Unglücksmaschine am Flughafen Berlin-Schönefeld im Juli 1995

  45. Zielpolare für ein absturzsicheres Flugzeug

  46. Braun-Skua in der Antarktis ? ? ?

  47. Unterdruck Überdruck Wie kommt es zu einer Strömungsablösung ? Hoher Unterdruck (Sog) - Druckverteilung an einem Tragflügelprofil

  48. B Wichtig !!!!!!! A Entstehung einer Ablösung Ein Strömungsteilchen, das sich dicht an der Wand stromab bewegt, wird durch Reibung abgebremst. Das Strömungsteilchen, das gegen den starken Sog ankämpfen muss, kommt am Punkt A zum Stillstand. A kennzeichnet den so genannten Ablösepunkt. Nur bei einer reibungsfreien Strömung entkommt das an der Stelle B beschleunigte Strö-mungsteilchen (Bernoulli!) dem Sog des Unterdrucks.

  49. Hier ist bei einem Auftrieb erzeugenden Tragflügel die Strömung immer turbulent, d. h. mit Mikrowirbeln durchsetzt. Dadurch wird Energie von der Außenströmung an die Wand transportiert. Bei einer laminare Grenzschichtströmung würde es ein Strömungsteilchen niemals von B nach A schaffen ! B A

  50. Zusammenbruch des Auftriebs Wanderung der Ablösung zum Druckminimum